FR3035279A1

FR3035279A1 - MAGNETIC BRAKE FOR ELECTRIC MACHINE

Info

Publication number: FR3035279A1
Application number: FR1553434A
Authority: FR
Inventors: Benjamin Daguse; Xavier Jannot; Francis Sourisseau
Original assignee: Moteurs Leroy Somer SA
Current assignee: Moteurs Leroy Somer SA
Priority date: 2015-04-17
Filing date: 2015-04-17
Publication date: 2016-10-21

Abstract

La présente invention concernant une machine électrique (10), comportant : - un carter (12) portant à l'avant une bride de fixation (19), - un arbre (14) tournant à l'intérieur du carter, - un frein magnétique (20) à l'arrière du carter (12), à l'extérieur de celui-ci, comportant : ○ un rotor de frein (21), ○ un stator de frein (22, 23) interagissant magnétiquement avec le rotor (21).The present invention relates to an electric machine (10), comprising: - a housing (12) carrying a mounting flange (19) at the front, - a shaft (14) rotating inside the housing, - a magnetic brake (20) at the rear of the housing (12), outside thereof, comprising: ○ a brake rotor (21), ○ a brake stator (22, 23) magnetically interacting with the rotor (21) ).

Description

1 Frein magnétique pour machine électrique La présente invention concerne un moteur électrique équipé d'un frein pour bloquer en rotation son arbre, et plus particulièrement un moteur équipé d'un frein visant à maintenir un couple sensiblement constant sur l'arbre pour éviter sa rotation tout en produisant un couple inférieur au couple de démarrage maximal du moteur. L'état de l'art met en évidence plusieurs solutions pour assurer le blocage de l'arbre d'un moteur électrique. Il s'agit en premier lieu d'utiliser à bon escient le couple de détente naturel des machines à aimants permanents pour réaliser cette fonction.The present invention relates to an electric motor equipped with a brake for locking in rotation its shaft, and more particularly a motor equipped with a brake designed to maintain a substantially constant torque on the shaft to prevent rotation thereof. while producing a torque lower than the maximum starting torque of the engine. The state of the art highlights several solutions for locking the shaft of an electric motor. First and foremost, it is important to use the natural relaxation torque of the permanent magnet machines to achieve this function.

La solution visant à utiliser le couple de détente naturel de la machine à aimants est relativement complexe à dimensionner. En général, le couple de détente présent à l'arrêt et créé par les aimants - est minimisé afin que le moteur puisse démarrer. Par conséquent, le couple de blocage, bien qu'existant, est très faible et ne permet pas un blocage de l'arbre très efficace.The solution to use the natural relaxation torque of the magnet machine is relatively complex to size. In general, the detent torque present at shutdown and created by the magnets - is minimized so that the engine can start. Therefore, the locking torque, although existing, is very low and does not allow a very effective blocking of the shaft.

Une autre solution consiste en l'utilisation d'une boucle de régulation en courant au moyen d'un circuit électronique de contrôle. Cela permet de maintenir un couple constant sur l'arbre de la machine tout en conservant une vitesse nulle. Les aspects de contrôle et de régulation sont très fortement mis à contribution par cette solution, complexe et ayant un impact sur la consommation énergétique.Another solution is the use of a current control loop by means of an electronic control circuit. This maintains a constant torque on the machine shaft while maintaining zero speed. The aspects of control and regulation are very strongly put to contribution by this solution, complex and having an impact on the energy consumption.

Dans le cas où un couple de blocage important est nécessaire, des freins électromécaniques ou des freins à courant de Foucault sont utilisés. Dans ce cas, le blocage mécanique de l'arbre empêche toute rotation de ce dernier. Un frein électromécanique présente un volume et une complexité de montage très importante. Il utilise également un bobinage, ce qui se répercute sur la consommation électrique. Le freinage mécanique réalisé par deux pièces en contact présente en outre des inconvénients en termes de bruit, de vibrations et de durée de vie. Enfin, on connaît des freins qui emploient, à l'image de l'utilisation du couple de détente naturel d'une machine à aimants, un dispositif magnétique dédié au blocage de l'arbre du moteur, d'où l'expression "frein magnétique".In the case where a large locking torque is required, electromechanical brakes or eddy current brakes are used. In this case, the mechanical blocking of the shaft prevents any rotation of the latter. An electromechanical brake has a very large volume and mounting complexity. It also uses a winding, which affects the power consumption. The mechanical braking performed by two parts in contact also has disadvantages in terms of noise, vibration and life. Finally, there are known brakes which use, like the use of the natural relaxation torque of a magnet machine, a magnetic device dedicated to blocking the motor shaft, hence the expression "brake magnetic".

3035279 2 Ce frein magnétique est monté, dans les solutions connues, dans le carter de la machine électrique. Les aimants employés sont en terres rares et collés, ce qui complique l'opération de recyclage. Les aimants liés à la partie tournante doivent être collés ou bien bloqués. Les 5 aimants liés à la partie fixe, en forme de tuile, doivent eux aussi être collés en raison du phénomène d'attraction magnétique. Cela entraine une imprécision de leur positionnement lors de la phase de collage et un processus d'industrialisation complexe. La demande CN 103973031 A divulgue un moteur électrique comportant un carter en deux parties, dont une partie avant réalisée par moulage de matière avec un 10 logement de réception d'aimants permanents. L'invention a pour but d'assurer le blocage en rotation de l'arbre d'une machine électrique, afin de permettre la création de couple à l'arrêt, sans courant électrique. L'invention y parvient grâce à une machine électrique comportant : 15 - un carter portant à l'avant une bride de fixation, - un arbre tournant à l'intérieur du carter, - un frein magnétique à l'arrière du carter, à l'extérieur de celui-ci, comportant : o un rotor de frein, 20 o un stator de frein interagissant magnétiquement avec le rotor. L'assemblage du frein se fait grâce à l'invention hors du carter du moteur, ce qui simplifie le processus industriel. Le montage et l'intégration du frein à la machine via le flasque est très rapide et très simple vis-à-vis des autres solutions. Lorsque l'invention est appliquée aux moteurs à aimants, on peut utiliser à la 25 fois le couple de détente lié aux aimants et le couple du frein magnétique selon l'invention pour assurer le blocage de l'arbre à l'arrêt. Le niveau de couple demandé au frein peut être réglé par sa longueur axiale.3035279 2 This magnetic brake is mounted in the known solutions in the housing of the electric machine. The magnets used are rare earth and glued, which complicates the recycling operation. Magnets linked to the rotating part must be glued or blocked. The 5 magnets linked to the fixed part, in the form of a tile, must also be glued due to the phenomenon of magnetic attraction. This leads to an inaccuracy of their positioning during the bonding phase and a complex industrialization process. The application CN 103973031 A discloses an electric motor having a housing in two parts, including a front part made by molding material with a housing for receiving permanent magnets. The invention aims to ensure the rotational locking of the shaft of an electric machine, to allow the creation of torque at rest, without electric current. The invention achieves this through an electric machine comprising: a casing carrying a fixing flange at the front, a shaft rotating inside the casing, a magnetic brake at the rear of the casing, outside thereof, comprising: a brake rotor, a brake stator interacting magnetically with the rotor. The assembly of the brake is done through the invention out of the motor housing, which simplifies the industrial process. The assembly and integration of the brake to the machine via the flange is very fast and very simple vis-à-vis other solutions. When the invention is applied to magnet motors, it is possible to use both the expansion torque connected to the magnets and the torque of the magnetic brake according to the invention to ensure the locking of the shaft when stopped. The requested torque level of the brake can be adjusted by its axial length.

3035279 3 Le frein n'a pas besoin d'électricité et il n'y a pas de bobinage, ce qui est avantageux sur le plan énergétique. Il est possible d'utiliser des aimants à forte énergie volumique à base de terres rares, lorsque l'encombrement est un problème majeur, ou des aimants à faible énergie 5 volumique tels que des ferrites pour des questions écologiques et de coût. Le stator de frein peut comporter un ou plusieurs aimants permanents en interaction magnétique avec le rotor, de préférence un aimant annulaire à plusieurs pôles radiaux, de préférence à 8 pôles. Le stator de frein comporte une culasse en matériau magnétique, entourant le 10 ou les aimants permanents. De préférence, de la tôle feuilletée est utilisée pour le circuit magnétique du frein au stator et au rotor. La culasse de frein peut ainsi comporter un paquet de tôles magnétiques superposées. Le rotor de frein peut comporter également un paquet de tôles magnétiques superposées.3035279 3 The brake does not need electricity and there is no winding, which is energy efficient. It is possible to use high-energy rare-earth magnets when space is a major problem, or low-energy magnets such as ferrites for environmental and cost reasons. The brake stator may comprise one or more permanent magnets in magnetic interaction with the rotor, preferably an annular magnet with several radial poles, preferably 8 poles. The brake stator comprises a yoke of magnetic material, surrounding the 10 or permanent magnets. Preferably, laminated sheet is used for the magnetic circuit of the brake stator and rotor. The brake yoke may thus comprise a stack of superimposed magnetic sheets. The brake rotor may also comprise a stack of superimposed magnetic sheets.

15 Le rotor de frein peut avoir un nombre de pôles compris entre 6 et 10. Par exemple, le rotor de frein est à 8 pôles. La machine peut comporter un logement de réception du frein, défini par une jupe tubulaire, monolithique avec un flasque. La puissance nominale de la machine est par exemple supérieure ou égale à 20 100W. L'aimant est de préférence sous la forme d'un anneau, et il n'y a dans ce cas qu'une seule pièce aimantée. La partie fixe du frein se compose ainsi, de préférence, d'un aimant en forme d'anneau, et d'une culasse pour refermer le circuit magnétique. Cette partie est fixée sur le flasque arrière de la machine électrique. Un tel montage sur le flasque 25 est plus compact qu'une solution où le frein est monté dans le carter. En raison de l'absence de bobinage et de contact mécanique, la durée de vie du frein est assimilable à celle de l'aimant, soit quelques milliers d'années.The brake rotor may have a number of poles between 6 and 10. For example, the brake rotor is 8 poles. The machine may comprise a housing for receiving the brake, defined by a tubular skirt, monolithic with a flange. The nominal power of the machine is for example greater than or equal to 100W. The magnet is preferably in the form of a ring, and there is in this case only one magnetized piece. The fixed portion of the brake is thus preferably composed of a ring-shaped magnet, and a cylinder head to close the magnetic circuit. This part is fixed on the rear flange of the electric machine. Such mounting on the flange 25 is more compact than a solution where the brake is mounted in the housing. Because of the lack of winding and mechanical contact, the life of the brake is comparable to that of the magnet, a few thousand years.

3035279 4 L'invention pourra être mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui va suivre, d'un exemple de mise en oeuvre non limitatif de celle-ci, et à l'examen du dessin annexé, sur lequel : 5 l'invention, - la figure 1 représente, en perspective éclatée, un exemple de moteur selon machine, et - la figure 2 représente le frein magnétique avant montage sur le reste de la - la figure 3 représente le frein magnétique en place. On a représente sur les figures 1 à 3 une machine électrique 10 selon 10 l'invention. Cette machine 10 comporte un moteur 11 comportant un carter 12 muni d'un flasque arrière 13. Un frein magnétique 20 est lié mécaniquement au moteur 11 ; ce frein 20 comporte un rotor 21, et un stator comportant une culasse 22 et un aimant 23.The invention may be better understood on reading the detailed description which follows, of an example of non-limiting implementation thereof, and on examining the appended drawing, in which: 1 shows, in exploded perspective, an example of a motor according to machine, and - Figure 2 shows the magnetic brake before mounting on the rest of the - Figure 3 shows the magnetic brake in place. FIGS. 1 to 3 show an electric machine 10 according to the invention. This machine 10 comprises a motor 11 comprising a housing 12 provided with a rear flange 13. A magnetic brake 20 is mechanically connected to the motor 11; this brake 20 comprises a rotor 21, and a stator comprising a yoke 22 and a magnet 23.

15 Le rotor 21 est formé par un paquet de tôles magnétiques superposées, clipsées les unes aux autres, pour constituer un bloc. Cela permet de réduire les pertes et l'échauffement par courants de Foucault. Dans l'exemple illustré, le rotor 21 est à huit pôles 25, ce qui constitue un bon compromis entre résistance mécanique et efficacité du frein.The rotor 21 is formed by a stack of superimposed magnetic sheets clipped together to form a block. This reduces losses and heating by eddy currents. In the example shown, the rotor 21 is eight poles 25, which is a good compromise between mechanical strength and brake efficiency.

20 Chaque pôle 25 est constitué par une dent radiale, de largeur constante. Ces dents se raccordent à leur base à un moyeu cylindrique 27, d'axe X. La culasse 22 et l'aimant 23 sont montés serrés, et sont fixés dans un logement correspondant 17 du flasque arrière 13. L'aimant 23 est de forme annulaire d'axe X et présente plusieurs pôles N et S 25 radiaux distribués sur sa circonférence, en l'espèce huit pôles dans l'exemple considéré. La culasse 22 comporte un paquet de tôles métalliques.Each pole 25 is constituted by a radial tooth of constant width. These teeth are connected at their base to a cylindrical hub 27, X axis. The yoke 22 and the magnet 23 are tightly mounted, and are fixed in a corresponding housing 17 of the rear flange 13. The magnet 23 is shaped X-axis annular and has several radial poles N and S distributed on its circumference, in this case eight poles in the example considered. The cylinder head 22 comprises a packet of metal sheets.

3035279 5 Le rotor 21 du frein magnétique 20 est monté sur un bout d'arbre 14 du moteur 11, d'axe X. Un circlips permet de bloquer axialement le rotor tandis qu'un méplat sur l'arbre permet d'assurer le blocage en rotation et le bon alignement des deux pièces. Le rotor 21 du frein magnétique 20 est ainsi lié au bout d'arbre 14 du moteur.The rotor 21 of the magnetic brake 20 is mounted on a shaft end 14 of the motor 11, with axis X. A circlip makes it possible to immobilize the rotor axially while a flat part on the shaft makes it possible to lock in rotation and the proper alignment of the two parts. The rotor 21 of the magnetic brake 20 is thus connected to the shaft end 14 of the motor.

5 La machine 10 comporte à l'avant une bague de fixation 19 qui permet de la fixer à un bâti de support ou à un réducteur, par exemple. Le logement 17 peut être défini par une jupe tubulaire 18 monolithique avec le flasque 13. La présence de la culasse 22 contribue à canaliser radialement le flux 10 magnétique, et accroît l'efficacité du frein. L'invention n'est pas limitée à l'exemple qui vient d'être décrit. L'aimant annulaire peut être remplacé par plusieurs aimants, chacun en forme de tuile. Le ou les aimants peuvent être montés au rotor et le stator du frein peut 15 recevoir un paquet de tôles en matériau magnétique, avec des dents. Les pièces magnétiques pour le stator et le rotor du frein magnétique peuvent encore être massives ou en poudre de fer, ou être réalisées avec une imprimante 3D en un matériau magnétique. 20The machine 10 has at the front a fixing ring 19 which makes it possible to fix it to a support frame or gearbox, for example. The housing 17 can be defined by a monolithic tubular skirt 18 with the flange 13. The presence of the yoke 22 contributes to radially channeling the magnetic flux, and increases the effectiveness of the brake. The invention is not limited to the example which has just been described. The annular magnet can be replaced by several magnets, each in the shape of a tile. The magnet (s) may be mounted to the rotor and the brake stator may receive a package of magnetic material sheets with teeth. The magnetic parts for the stator and the rotor of the magnetic brake can still be massive or powdered iron, or be made with a 3D printer in a magnetic material. 20

Claims

REVENDICATIONS1. Electric machine (10), comprising: - a housing (12) carrying a mounting flange (19) at the front, - a shaft (14) rotating inside the housing, - a magnetic brake (20) at rear of the housing (12), outside thereof, comprising: a brake rotor (21), o a brake stator (22, 23) interacting magnetically with the rotor (21).

2. Machine according to claim 1, the brake stator comprising one or more permanent magnets (23) in magnetic interaction with the rotor, preferably an annular magnet having a plurality of radial poles.

3. Machine according to claim 2, the brake stator comprising a yoke (22) of magnetic material, surrounding the permanent magnet (s) (23).

4. Machine according to claim 3, the brake yoke (22) comprising a stack of superimposed magnetic sheets.

5. Machine according to any one of the preceding claims, the brake rotor (25) comprising a stack of superimposed magnetic sheets.

6. Machine according to any one of the preceding claims, the brake rotor having a number of poles between 6 and 10.

7. Machine according to the preceding claim, the brake rotor being 8 poles.

8. Machine according to any one of the preceding claims, comprising a housing (17) for receiving the brake, defined by a tubular skirt (18) monolithic with a flange (13).

9. Machine according to any one of the preceding claims, its nominal power being greater than or equal to 100W.